中山大學(xué)物理學(xué)院、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的姚道新教授最近在Science Bulletin 期刊上發(fā)表了題為“Einstein-de Haas effect: a bridge linking mechanics, magnetism, and topology”的展望論文。文章系統(tǒng)介紹了愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)的最新研究進(jìn)展，涵蓋了電子與晶格之間角動量轉(zhuǎn)移的微觀機(jī)制，愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)在拓?fù)湎到y(tǒng)中的體現(xiàn)，以及手征選擇性磁-聲耦合等重要內(nèi)容。

圖1 愛因斯坦德-哈斯效應(yīng)。（a）實(shí)驗(yàn)裝置；（b）理論機(jī)制。

愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)是指由磁化誘導(dǎo)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如圖1(a)所示，一個(gè)圓柱形的鐵磁體通過細(xì)線懸掛，并在其表面纏繞導(dǎo)線；當(dāng)電流通過導(dǎo)線時(shí)，鐵磁體發(fā)生旋轉(zhuǎn)。該效應(yīng)在一個(gè)多世紀(jì)前便已成功實(shí)現(xiàn)。然而，隨著自旋電子學(xué)及磁子學(xué)的迅速發(fā)展，這一“百年老樹”不斷煥發(fā)新芽，為科研工作者帶來了豐富的驚喜與啟示。首先是電子與晶格之間的角動量轉(zhuǎn)移機(jī)制。在早期，科學(xué)家主要聚焦于愛因斯坦德-哈斯效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，對其微觀機(jī)制的探索則多停留在唯象理論層面。伴隨著超快退磁技術(shù)的進(jìn)步，探測晶格動力學(xué)和退磁的手段日益精進(jìn)，近年來對愛因斯坦德-哈斯效應(yīng)起源的認(rèn)識取得了顯著進(jìn)展，電子軌道、自旋和晶格等自由度之間的角動量轉(zhuǎn)移變得愈發(fā)清晰。在這一研究過程中，手性聲子和聲子磁矩等新概念被提出，不僅將聲子角動量引入愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)的研究范疇，還揭示了聲-磁耦合的手征選擇性和非對易性等重要特性。這些發(fā)現(xiàn)為谷電子學(xué)（特別是電子谷內(nèi)和谷間散射）以及聲子熱霍爾效應(yīng)的理論研究提供了新的思路。另一方面,這些進(jìn)展對基于磁力耦合的功能型傳感器、存儲器件、新型材料設(shè)計(jì)以及量子信息處理等應(yīng)用也具有重要意義。

圖2 愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)聯(lián)系起磁學(xué)、拓?fù)?、力學(xué)。(a) 超快退磁過程；（b）聲子熱霍爾效應(yīng)；（c）聲子磁矩；（d）手性聲子。

與此同時(shí)，在凝聚態(tài)物理學(xué)的“新寵”—拓?fù)湮飸B(tài)領(lǐng)域，愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)也開始展現(xiàn)其價(jià)值。對于拓?fù)浯抛酉到y(tǒng)，貝利曲率可以賦予磁子額外的“軌道角動量”，與固有的自旋角動量相結(jié)合，使得系統(tǒng)能夠自主實(shí)現(xiàn)該效應(yīng)。目前，關(guān)于拓?fù)浯抛訍垡蛩固?德哈斯效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)尚待實(shí)現(xiàn)。值得注意的是，在拓?fù)浯判圆牧现校負(fù)浣莿恿亢蜋C(jī)械角動量均對該效應(yīng)產(chǎn)生貢獻(xiàn)，因此開發(fā)區(qū)分和量化這兩種角動量貢獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。除了動量空間中的拓?fù)湎到y(tǒng)，實(shí)空間中的斯格明子系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)的良好載體。通過角動量轉(zhuǎn)移的力學(xué)手段，可以有效調(diào)控斯格明子的大小、形變及輸運(yùn)特性。由此，愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)這一基礎(chǔ)而深刻的概念，將磁學(xué)、拓?fù)?、力學(xué)緊密交織，構(gòu)建了蘊(yùn)含研究潛力的交叉網(wǎng)絡(luò)。

圖3 拓?fù)浯抛拥膼垡蛩固?德哈斯效應(yīng)。（a）理論機(jī)制；（b）實(shí)驗(yàn)構(gòu)想；（c）斯格明子系統(tǒng)。

值得一提的是，愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)不僅在物理領(lǐng)域影響深遠(yuǎn)，其研究意義還延伸至生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)學(xué)科。最新研究表明，某些生物體（例如一些鳥類和昆蟲）可能依賴于原子級別的磁性相互作用進(jìn)行導(dǎo)航，這與愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)的基本原理存在直接的關(guān)聯(lián)?？茖W(xué)家們正致力于揭示這些磁感應(yīng)現(xiàn)象背后的生物物理機(jī)制。另外，該效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)體系正逐步從宏觀層面過渡到微觀層面，甚至包括納米尺度及分子尺度的研究。這種對微觀磁體系的探索，能夠在一定程度上促進(jìn)磁性納米顆粒在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，比如磁性分離、磁性轉(zhuǎn)染、磁性藥物靶向、腫瘤磁熱療、核磁共振成像等。

圖4 愛因斯坦-德哈斯效應(yīng)在生物、醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。（a）磁感現(xiàn)象中的MagRs機(jī)制；（b）腫瘤磁熱療；（c）磁性轉(zhuǎn)染。

研究成果于近期發(fā)表在Science Bulletin（DOI: 10.1016/j.scib.2024.12.006）。中山大學(xué)物理學(xué)院、廣東省磁電物性分析與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生聶新為論文的第一作者，中山大學(xué)姚道新教授為通訊作者。

上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、廣東特支計(jì)劃領(lǐng)軍人才項(xiàng)目等的資助。